Le lettere pH stanno per metà sott’acqua in un becher, e la soluzione sopra di loro cambia colore come un indicatore universale, dal rosso al viola passando per il giallo, il verde e il blu. Dalla buretta cade una goccia, sulla superficie si allarga un anello, dal fondo salgono bollicine, l’agitatore gira, il bulbo dell’elettrodo a vetro si illumina. Lo strumento nell’angolo mostra un numero, e il segno sulla striscia indicatrice in basso arriva alla stessa casella.
Scheda dell'unità
chimica e laboratorio scheda 1/1 · rev. 2026-09Potenziale di idrogeno pH
Grandezza fuori dal SI · grandezza: acidità di una soluzione, logaritmo adimensionale dell’attività degli ioni idrogeno
Una scala logaritmica che non ha unità
Nel 1909 il chimico danese Søren Sørensen studiava nel laboratorio della birreria Carlsberg come gli enzimi dipendano dall’acidità del mosto, e ogni giorno annotava concentrazioni come 0,000 000 1 moli per litro. Stanco di contare zeri, propose di scrivere al posto del numero soltanto l’esponente privo del segno meno, così che un decimilionesimo divenne un semplice sette, e da allora l’acidità si misura con un numero dietro il quale non c’è alcuna unità.
Questa scrittura è comoda ma insidiosa: un passo di un’unità significa un cambiamento di dieci volte, perciò una soluzione a pH 3 non è più acida di un terzo rispetto a una a pH 5, ma cento volte, e due valori di pH non si possono né sommare né mediare. Mescolando volumi uguali di soluzioni a pH 2 e pH 4 non si ottiene 3, ma 2,30, perché a sommarsi sono le concentrazioni stesse, e il logaritmo si prende della somma.
Il foglio mostra come si comporta il pH durante una titolazione, perché il sette è neutro solo a venticinque gradi e perché la grandezza che misura ogni acquariofilo non si può ancora misurare in modo rigoroso senza un accordo su che cosa si intenda per attività di un singolo ione.
Si scrive con la p minuscola e la H maiuscola, sempre in quest’ordine e senza spazio: pH, non PH né Ph, perché la minuscola indica un’operazione e la maiuscola un elemento chimico. Il numero va dopo il simbolo, come per la temperatura in gradi: pH 7,40, e dopo non si scrive alcuna unità.
Il pH non è né la concentrazione di un acido né la sua forza: l’aceto e l’acido cloridrico alla stessa concentrazione danno pH 2,9 e 1,0, e un tampone può contenere molto acido e mostrare comunque un numero quasi neutro. Non va confuso neppure con il pKa, che appartiene all’acido stesso e non dipende da quanto se ne è versato, mentre il pH appartiene alla soluzione.
01 · Definizione
logaritmo · attività · neutralitàIl potenziale di idrogeno, pH, è il logaritmo decimale cambiato di segno dell’attività degli ioni idrogeno in una soluzione. L’attività è adimensionale perché si misura rispetto a una concentrazione standard di una mole per litro, e perciò è adimensionale anche il logaritmo: il pH non si misura in nessuna unità, si esprime soltanto con un numero.
Nelle soluzioni diluite l’attività coincide quasi con la concentrazione, e allora il pH si può calcolare direttamente dalle moli per litro, mentre nelle soluzioni concentrate e nell’acqua di mare gli ioni si ostacolano a vicenda e la differenza tra concentrazione e attività arriva a decimi di unità. L’acqua stessa si dissocia un poco in ioni idrogeno e idrossido, il prodotto delle loro attività a 25 °C è 10⁻¹⁴, e si dice neutra una soluzione in cui gli uni e gli altri sono in pari quantità, cioè pH 7.
Il prodotto ionico dell’acqua cresce rapidamente con la temperatura, perciò il punto neutro scende a 6,13 all’ebollizione e sale a 7,47 a zero gradi; una soluzione a pH 7 a 50 °C è già debolmente basica, anche se il numero è rimasto lo stesso.
Due gocce che cambiano colore al becher
A sinistra, dalla buretta gocciola il titolante in un becher con 25 millilitri di soluzione; il liquido è colorato dall’indicatore universale secondo il suo pH del momento, e lo strumento nell’angolo mostra il numero. A destra cresce la curva di titolazione: il tratto percorso è disegnato con una linea spessa del colore dell’indicatore, il resto con un sottile tratteggio grigio; il tratteggio orizzontale è la neutralità pH 7, quello verticale il punto di equivalenza, dove si è aggiunto esattamente il titolante che serve per tutto l’acido o tutta la base.
Mescolare pH 2 e pH 4 non dà tre
Un litro di soluzione a pH 2 contiene un centesimo di mole di ioni idrogeno, e un litro a pH 4 un decimillesimo, così che dopo il mescolamento in due litri ci saranno 0,0101 moli, cioè 0,00505 per litro, e questo è pH 2,30. La soluzione acida determina quasi per intero il risultato, quella meno acida aggiunge solo diluizione, e perciò il pH medio di più campioni, riportato in una relazione come semplice media, travisa sempre il più acido di essi.
02 · Conversione
concentrazioni · sostanze · temperaturaDal numero sullo strumento alle moli per litro
Inserite il pH, la concentrazione di ioni idrogeno o idrossido oppure il pOH, e il foglio ricalcolerà tutto il resto, confronterà la soluzione con sostanze note e mostrerà dove si trova la neutralità a un’altra temperatura. In tutte le schede la soluzione è la stessa; cambia solo ciò con cui la si confronta.
Regola da ricordare: ogni unità di pH è un cambiamento di dieci volte della concentrazione, ogni 0,3 unità un raddoppio.
La conversione considera l’attività uguale alla concentrazione, il che vale solo per le soluzioni diluite; nell’acqua di mare, nel sangue e negli acidi forti la correzione del coefficiente di attività sposta il risultato di uno o due decimi. I valori di pH delle sostanze sono tipici, non normativi: per succo di limone, caffè e pioggia la variazione da un campione all’altro arriva a mezza unità.
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04 · Strumenti di misura
carta · vetro · platino · tamponiCon che cosa si cattura lo ione idrogeno
Un arcobaleno sulla striscia
L’indicatore universale è una miscela di più coloranti, ognuno dei quali cambia colore in un proprio intervallo ristretto, così che insieme colorano l’intera scala dal rosso al viola. La striscia si immerge nella soluzione, la soluzione risale la carta e il colore si confronta a occhio con la scala stampata; la precisione è di circa un’unità, ma la risposta è pronta in un secondo e non richiede alcuno strumento.
Il vetro che sente l’acido
Un sottile bulbo di vetro speciale si rigonfia in superficie, e gli ioni idrogeno si scambiano con il suo strato idratato, così che tra la soluzione interna e quella esterna nasce una differenza di potenziale. A 25 °C varia di 59,16 millivolt per ogni unità di pH, e con il riscaldamento la pendenza aumenta: per questo un pHmetro come si deve misura sempre anche la temperatura.
Lo zero di tutta l’elettrochimica
Una lamina di platino ricoperta di nero di platino spugnoso viene lambita da idrogeno alla pressione di un bar, e su di essa si stabilisce un equilibrio tra il gas e gli ioni idrogeno della soluzione. Un elettrodo così è scomodo e capriccioso, ma il suo potenziale risponde senza intermediari alla formula di definizione stessa, ed è proprio con esso che si certificano i tamponi primari con cui si tarano tutti gli elettrodi a vetro del mondo.
Tre becher prima di ogni misura
L’elettrodo a vetro invecchia, e il suo zero e la sua pendenza derivano, perciò prima del lavoro lo strumento si controlla con tamponi a pH noto, di solito 4,01, 7,00 e 10,01 a 25 °C, e con essi si ricostruisce la retta. Uno strumento senza questa taratura mostra un numero con due decimali, ma il secondo è onesto solo finché l’elettrodo non viene spostato in una soluzione sconosciuta.
05 · Regole di scrittura
simbolo prima del numero · senza unità · con temperaturaIl numero dopo il simbolo, nessuna unità
Il simbolo pH si mette prima del numero, come il nome di una scala, e non dopo come un’unità, e accanto a un valore preciso si indica la temperatura a cui è stato ottenuto.
La prima riga a destra mette il simbolo dopo il numero, come se il pH fosse un’unità, la seconda scrive una P maiuscola, che in chimica non significa nulla, e la terza attribuisce all’esponente moli per litro, benché le moli vivano solo nella concentrazione. La quarta converte il logaritmo in percentuale, così che un calo di 0,3 sembra modesto, benché gli ioni idrogeno siano la metà, la quinta aggiunge «unità» inesistenti, e la sesta fa la media dei logaritmi dove andrebbe fatta quella delle concentrazioni.
06 · Unità vicine
concentrazione · logaritmo · quantitàSotto il logaritmo del pH c’è una concentrazione in moli per litro, il logaritmo stesso lo apparenta al decibel, che allo stesso modo comprime decine di ordini in una scala breve, e la mole resta l’unica unità SI attraverso cui il pH è collegato al sistema.
Proprio la concentrazione di cui si prende il logaritmo, e quella in cui si conta quanto acido è stato versato.
Anch’esso un logaritmo adimensionale, ma di un rapporto di potenze e con un fattore dieci.
Quantità di sostanza, attraverso cui il pH è collegato al Sistema internazionale di unità.
07 · Sezione storica
archivio · dalla birreria alla IUPACCome gli zeri sono diventati una scala
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Quattro gradini che non stanno su un foglio
L’altezza della colonna è la concentrazione degli ioni idrogeno in scala ordinaria, non logaritmica, per pH 1, 2, 3 e 4. Ogni colonna è dieci volte più bassa della precedente, e la quarta si vede già appena; la cornice le percorre a turno.
Sørensen non scelse il logaritmo per bellezza, ma perché altrimenti le grandezze con cui lavorava non sarebbero entrate in nessun foglio: i sette gradini da pH 1 a pH 7 allungherebbero una scala lineare di dieci milioni di volte.
Una grandezza che non si può misurare senza un accordo
La definizione parla dell’attività di un singolo ione idrogeno, ma la termodinamica sa misurare solo prodotti di attività di ioni di segno opposto, perché una soluzione è sempre elettricamente neutra e da essa non si può estrarre un singolo ione. A rigore, perciò, nessuno strumento misura il pH così come è definito; è accessibile solo una grandezza in cui, insieme all’idrogeno, entra lo ione cloruro.
Il divario si colma con un accordo: secondo la convenzione di Bates-Guggenheim il coefficiente di attività dello ione cloruro si calcola con una semplice formula della teoria delle soluzioni, e dopo ciò la cella di Harned, con elettrodi a idrogeno e argento-cloruro d’argento e senza giunzione liquida, fornisce i valori primari di pH per alcuni tamponi di riferimento. Tutte le altre misure sulla Terra poggiano su questi tamponi attraverso una catena di tarature.
Così in ogni valore di pH, oltre alla misura stessa, c’è anche un accordo, e due laboratori concordano ai centesimi di unità non perché abbiano misurato la stessa natura, ma perché hanno adottato la stessa convenzione e si sono tarati sugli stessi tamponi.